DE2614391B2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von kohlenstoffasern - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur herstellung von kohlenstoffasernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern durch Carbonisieren voroxydierter
Fasern aus organischen Polymerisaten in Gegenwart eines Inertgases sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
Kohlenstoffasern, die aus voroxydierten und carbonisierten Fasern aus organischen Polymerisaten, wie
Regeneratcellulosefasern oder Acrylnitrilpolymerisati'asem,
unter spezifischen Bedingungen hergestellt worden sind, werden auf den verschiedensten Gebieten
verwendet, beispielsweise als Verstärkungsmaterialien für Verbundmaterialien, weger, ihrer hohen Zugfestigkeit,
ihrem hohen Young'schen Modul, ihrem geringen spezifischen Gewicht, ihrer Beständigkeit gegen Chemikalien
und wegen anderer überlegener Eigenschaften, wie dies beispielsweise von M. Langley in »Carbon
Fibers in Engineering«, McGraw — Hill Book Co., Großbritannien (1973), näher beschrieben ist.
In der Regel werden Kohlenstoffasern hergestellt, indem man zuerst Fasern aus organischen Polymerisaten
bei 200 bis 3000C an der Luft oder in einer Atmosphäre eines anderen oxydierenden Gases voroxydiert
und dann die voroxydierten Fasern bei 1000 bis 20000C in einer Atmosphäre eines Inertgases, wie
Stickstoff oder Argon carbonisiert (vgl. JA-PS 3 04 892).
Zur Erzielung von hochwertigen Kohlenstoffasern sind bereits verschiedene Verbesserungen in bezug auf
die Auswahl der Zusammensetzung des Ausgangspolymerisats und in bezug auf die vorgeschriebenen
Bedingungen für die Voroxydation und die Carbonisierung, wie z. B. die umgebende Atmosphäre, die
Temperatur, die Zeit und die Spannung der Fasern, vorgeschlagen worden. Es sind auch bereits Verbesserungen
durch Umwandlung von diskontinuierlichen Verfahren in kontinuierliche Verfahren erzielt worden.
Da in der Anfangsstufe der Carbonisierung hohe Mengen an flüchtigen Komponenten erzeugt werden,
die das Verfahren stören, weil sie teerartig werden, ist es besonders wichtig, das Auftreten dieser flüchtigen
Komponenten zu verhindern. Es ist auch wichtig, Sauerstoff aus der umgebenden Atmosphäre zu
entfernen bei gleichzeitiger Verwendung einer Minimalmenge eines Inertgases und auch das Brechen der
Faserstränge und die daraus resultierende Zerfaserung während der Herstellung der Kohlenstoffasern zu
verhindern.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenütoffasern anzugeben, bei denen
die Probleme vermieden werden, die auf flüchtige Komponenten zurückzuführen sind, die bei der Carbonisierung
von voroxydierten Fasern erzeugt und teerartig werden.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren xjer eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß man das Inertgas in einen bei einer Temperatur von etwa 500 bis etwa
10000C gehaltenen vertikalen Ofen und in einen damit
verbundenen, bei einer Temperatur von etwa 800 bis etwa 20000C gehaltenen transversalen Ofen so einführt,
daß das Inertgas aus dem transversalen Ofen in den
unteren Abschnitt und dann in den oberen Abschnitt des
vertikalen Ofens strömt, und daß man die voroxydierten s Fasern in den oberen Abschnitt des vertikalen Ofens so
einführt, daß die Fasern im Gegensirom zu dem Inertgasstrom durch beide öfen wandern.
Die Erfindung beruht mit auf der Feststellung, daß in der Stufe der Carbonisierung die Erzeugung von )0
flüchtigen Komponenten, die durch chemische Veränderungen in den voroxydierten Fasern hervorgerufen
wird, in dem verhältnismäßig tiefen Temperaturbereich von etwa 500 bis eilwa 10000C meistens beendet ist und
eine nachfolgende Behandlung bei einer verhältnismä-Cig hohen Temperatur von etwa 800 bis etwa 20000C
erforderlich ist, urn die physikalischen Eigenschaften, wie z. B. die Zugfestigkeit und den Elastizitätsmodul, der
Kohlenstoffasern zu verbessern. Daher wird erfindungsgemäß die Verflüchtigung in einem Tieftemperaturofen
und die Carbonisierung in einem Hochtemperaturofen durchgeführt.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die
gekennzeichnet ist durch einen vertikalen, auf eine Temperatur von etwa 500 bis etwa 10000C erhitzbaren
Ofen, einen transversalen auf eine Temperatur von etwa 800 bis etwa 20000C erhitzbaren Ofen, der mit dem
Boden des vertikalen Ofens durch mindestens einen Schlitz in Verbindung steht, einen Schlitz, der an dem
oberen Ende des vertikalen Ofens angeordnet ist, für die Einführung der voroxydierten Fasern und für das
Abführen der während der Carbonisierung aus Fasern erzeugten Gase und eines in die öfen eingeführten
Inertgases, einen Faserauslaß, der an dem freien Ende des transversalen Ofens angeordnet ist, um das
Einströmen von Gas zu verhindern, und eine Inertgas-Einlaßöffnung, die in der stromabwärts gelegenen
Hälfte jedes der beiden öfen in Richtung der Faservorwärtsbewegung angeordnet ist, so daß der
Inertgasstrom innerhalb der öfen in einer Richtung entgegengesetzt zur Wanderungsrichtung der Fasern
gelenkt wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und unter Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelingt
es, bei Verwendung einer minimalen Menge eines Inertgases bei der Carbonisierung der voroxydierten
Fasern den Sauerstoff aus der umgebenden Atmosphäre auszuschließen. Ein weiterer Vorteil ist, daß die
erfindungsgemäß hergestellten Kunststoffasern nicht zum Brechen der Faserstränge oder zur Zerfaserung
während der Carbonisierung neigen. Die erfindungsgemäß hergestellten Kohlenstoffasern haben gute Eigenschaften,
und die Effizienz des Verfahrens ist sehr zufriedenstellend.
Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Vorrichtung hat im Prinzip den
nachfolgend geschilderten Aufbau: einen Ofen für die kontinuierliche Verkohlung von voroxydierten Fasern
ist in einen vertikalen Ofen, der auf etwa 500 bis etwa 10000C erhitzt werden kann, und in einen transversalen
Ofen, der auf etwa 800 bis 20000C erhitzt werden kann, unterteilt, wobei beide öfen an dem Boden des
vertikalen Ofens durch mindestens einen Schlitz miteinander verbunden sind. Der vertikale Ofen weist
an seinem oberen Abschnitt einen offenen Schlitz für die Einführung der Fasern und für den Ablaß des Inertgases
und der aus den Fasern erzeugten Gase auf. An einem Ende des transversalen Ofens ist ein Auslaß für die
Fasern vorgesehen, der eine Abdichtung aufweist, um zu verhindern, daß Gase aus der Umgebung eintreten. An
einer Stelle in der Nähe des stromabwärts gelegenen Ende jedes Ofens (in bezug auf die Wanderungsrichtung
der Fasern) ist ein Inertgas-Beschichtungseinlaß vorgesehen, so daß der Inertgasstrom sich im Gegenstrom zur
Wanderungsrichtung der Fasern bewegt.
Bei den erfindungsgemäß verwendeten voroxydierten Fasern handelt es sich um Fasern, die durch Erhitzen
von organischen Polymerisatfasern in einer oxydierenden Atmosphäre hergestellt worden sind und an der
Luft mittels einer Sireichholzflamme nicht brennen. Bei den organischen Polymerisatfasern handelt es sich
beispielsweise um Regeneratcellulosefasern und Acrylnitrilpolymerisatfasern.
Acrylnitrilpolymerisatfasern werden in großem Umfange für die Herstellung von Kohlefasern verwendet. Beispiele für geeignete Acrylnitrilpolymerisatfasern
sind solche aus einem Homopolymerisat von Acrylnitril und einem Mischpolymerisat
aus mindestens etwa 90Gew.-% Acrylnitril und einem damit mischpolymerisierbaren Vinylmonomeren, wie
z. B. einem Acrylsäureester (wie Methylacrylat und Butylacrylat), einem Mischacrylsäureester (wie Methylmethacrylat).
Vinylacetat, Acrylamid, N-Methylolacrylamid,
Acrylsäure, Methacrylsäure, Vinylsulfonsäure, Allylsulfonsäure, Methallylsulfonsäure und Salzen dieser
Säuren, in der Regel der Natriumsalze. Wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, ist das Molekulargewicht
der erfindungsgemäß behandelten Fasern nicht wesentlich, und es können Fasern mit Molekulargewichten,
wie sie üblicherweise auf diesem Gebiet angewendet werden, mit Erfolg erfindungsgemäß behandelt
werden.
Wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, unterliegt auch die Größe der erfindungsgemäß
behandelten Fasern keinen speziellen Beschränkungen, jedoch sind im Handel in der Regel Fasern bestimmter
Größen anzutreffen, und diese umfassen im allgemeinen einen Sirang aus etwa 100 bis etwa 500 000 Fäden,
wobei ein Einzelfaden eine Größe in der Größenordnung von etwa 0,5 bis etwa 10 Denier aufweist.
Das erfindungsgemäß verwendete oxydierende Gas besteht aus Luft oder einem mindestens etwa 15 Vol.-%
Sauerstoff enthaltenden Gas, z. B. einer Luft/Sauerstoff-Mischung. Die Voroxydations-Wärmebehandlungstemperatur
beträgt im allgemeinen etwa 200 bis etwa 300°C und die Wärmebehandlungszeit liegt in der Regel in der
Größenordnung von etwa 1 bis etwa 5 Stunden. Die so behandelten Fasern werden im allgemeinen als voroxydierte
Fasern bezeichnet und eine solche Behandlung wird allgemein als »Voroxydation« bezeichnet, wie es
beispielsweise in den US-PS 32 85 696 und 34 12 062 näher beschrieben ist.
Nach einer solchen Behandlung weist Polyacrylnitril das einen Anfangssauers'offgehalt von 0 bis etwa
3 Gew.-% (letzteren für ein Mischpolymerisat) aufweist in der Regel einen erhöhten Sauerstoffgehalt von etwa £
bis etwa 15, vorzugsweise 8 bis 12 Gew.-% auf.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung, in der eine zui
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ver wendbare Vorrichtung in schematischer Form dargestellt
ist, näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt einen Carbonisierungsofen, dk Einführung von voroxydierten Fasern und den Abzuf
der carbonisierten Fasern. Die Bezugsziffer 1 gibt einer vertikalen Ofen (der auch als Tieftemperatur-Ofer
bezeichnet werden kann) an, während die Bezugsziffer 2 einen transversalen Ofen (der auch als Hochtemperatur-Ofen
bezeichnet werden kann) angibt. Der vertikale Ofen und der transversale Ofen stellen den Hauptkörper
des Carbonisierungsofens dar. Der vertikale Ofen und der transversale Ofen sind L-förmig durch Schlitze
3 miteinander verbunden (d. h. sie bilden praktisch rechte Winkel miteinander).
Der vertikale Ofen und der transversale Ofen weisen jeweils Inertgasbeschickungsöffnungen 4 bzw. 4' auf.
Der Fasereinlaß des vertikalen Ofens ist der Schlitz 5 und der erhitzte Inertgasstrom wird ebenfalls durch
diesen offenen Schlitz abgelassen. Der Faserauslaß des transversalen Ofens umfaßt eine Flüssigkeitsdichtung 6,
die verhindert, daß die umgebende äußere Atmosphäre einströmt. In der beiliegenden Zeichnung ist auch ein
gegebenenfalls vorgesehener Auslaßschlitz 10 dargestellt.
Beim Betrieb werden voroxydierte Fasern 7 in den vertikalen Ofen eingeführt und in den transversalen
Ofen transportiert. Durch chemische Reaktion der voroxydierten Fasern werden flüchtige Komponenten
(z. B. Ammoniakgas, Kohlendioxidgas, Kohlenwasserstoffgase und andere Gase im Falle von Acrylnitrilpolymerisatfasern)
erzeugt. Diese flüchtigen Komponenten werden von dem aufwärts strömenden Inertgas
mitgenommen und durch den Schlitz 5 aus dem System ausgetragen. Zu diesem Zeitpunkt kondensiert manchmal
ein Teil der flüchtigen Komponenten an dem Schlitz 5 in Form eines Teers. Die Haftung des Teers an den
Fasern kann dazu führen, daß die Fasern brechen. Um dies zu vermeiden, wird der Schlitz bei einer
Temperatur von etwa 200 bis etwa 400°C gehalten, um dadurch eine Kondensation des Teers zu verhindern,
beispielsweise durch Anordnung einer elektrischen Heizeinrichtung an dem Schlitz oder durch Herumführen
eines Heizmediums im Kreislauf.
In dem vertikalen Ofen werden die Fasern so lange behandelt, bis sie einen Kohlenstoffgehalt von mehr als
etwa 75 Gew.-% erreichen. In der Regel enthalten die voroxydierten Fasern (wenn man beispielsweise Acrylnitrilpolymerisatfasern
betrachtet) etwa 60 bis etwa 65 Gew.-% Kohlenstoff (der Prozentsatz des Kohlenstoffs
in bezug auf die Ausgangsfaser wird etwas vermindert durch die Voroxydation als Folge der
Zersetzung der CN-Gruppc). Nach dem Durchgang durch den vertikalen Ofen enthalten die Acrylnitrilpolymcrisatfascrn
in der Regel mehr als etwa 75 Gcw.-% Kohlenstoff und nach dem Durchgang durch den
transversalen Ofen weisen die Acrylnitrilpolymerisatfasern in der Regel einen erhöhten Kohlenstoffgehalt von
mehr als etwa 85 Gew.-% Kohlenstoff auf. Die Fasern werden dann in den transversalen Ofen überführt, in
dem kaum eine Bildung von flüchtigen Komponenten auftritt. Da die Fasern einen ziemlich hohen Young'-schcn
Modul aufweisen, biegen sie sich in ihrer Mitte während ihrer Wanderung in Längsrichtung durch den
transversalen Ofen nicht durch.
Die in dem transversalen Ofen behandelten Fasern werden durch die Flüssigkeitsdichtung 6 als Kohlenstoffascrn
abgezogen. Wiihrcnd des gesamten Verfahrens innerhalb des I lauptkörpers des Vcrkohlungsofens
erfolgt die Wundcrungsrichtung der behandelten Fasern im Gegenstrom zu der Richtung, in welcher das
Inertgas strömt, und die aus den Fasern freigesetzten flüchtigen Komponenten werden zusammen mit dem
Inertgas aus dem System abgelassen.
Der vertikale Ofen und der transversale Ofen werden bei einer Temperatur von etwa 500 bis etwa 10000C bzw. von etwa 800 bis etwa 20000C gehalten. In jedem der öfen braucht die Temperatur nicht immer innerhalb des Ofenbereiches von dem Fasereinlaß bis zu dem Faserauslaß die gleiche zu sein, sondern die Temperatur kann auch allmählich oder stufenförmig zu dem Auslaß hin ansteigen, sie kann beispielsweise in dem ersten Drittel des vertikalen Ofens bei 5000C, in dem mittleren Drittel des vertikalen Ofens bei 600°C und in dem
Der vertikale Ofen und der transversale Ofen werden bei einer Temperatur von etwa 500 bis etwa 10000C bzw. von etwa 800 bis etwa 20000C gehalten. In jedem der öfen braucht die Temperatur nicht immer innerhalb des Ofenbereiches von dem Fasereinlaß bis zu dem Faserauslaß die gleiche zu sein, sondern die Temperatur kann auch allmählich oder stufenförmig zu dem Auslaß hin ansteigen, sie kann beispielsweise in dem ersten Drittel des vertikalen Ofens bei 5000C, in dem mittleren Drittel des vertikalen Ofens bei 600°C und in dem
ίο letzten Drittel des vertikalen Ofens bei 7000C gehalten
werden, indem man geeignete Heizeinrichtungen vorsieht. Ein ähnliches Verfahren kann gewünschtenfalls
in dem transversalen Ofen angewendet werden. Vorzugsweise ist die Temperatur des vertikalen Ofens
is insgesamt niedriger als diejenige des transversalen
Ofens und die Temperatur des transversalen Ofens liegt im allgemeinen oberhalb etwa 10000C. Besonders
bevorzugt ist es, die Temperatur in dem vertikalen Ofen bei etwa 5000C bis zu einer Temperatur von weniger als
10000C zu halten, während die Temperatur in dem transversalen Ofen bei einer Temperatur von etwa 1000
bis etwa 20000C gehalten wird.
Bei den erfindungsgemäß verwendeten Inertgasen handelt es sich um nicht-oxydierende Gase, und im
allgemeinen wird Stickstoff oder Argon verwendet. Der Sauerstoffgehalt des Inertgases sollte weniger als etwa
100 ppm, vorzugsweise weniger als 30 ppm betragen. Selbstverständlich können auch Inertgasgemische verwendet
werden. Wenn man etwa 1 bis etwa 101 Inertgas pro Gramm der zu behandelnden Fasern verwendet,
werden bei der erfindungsgemäßen Behandlung ausgezeichnete Ergebnisse erzielt, es sei jedoch darauf
hingewiesen, daß die Erfindung auf diese Werte keineswegs beschränkt ist.
Im allgemeinen ist der vertikale Ofen senkrecht angeordnet, er kann aber auch bis zu einem solche
Grade geneigt sein, daß keine Störungen auftreten, welche die erfindungsgemäßen Effekte behindern. Der
transversale Ofen ist im allgemeinen horizontal angeordnet, er kann aber auch ebenfalls bis zu einem
gewissen Grade geneigt sein. Diese beiden öfen sind im allgemeinen in rechten Winkeln zueinander angeordnet.
Eine Öffnung für die Einführung eines Inertgases ist
im allgemeinen in der Nähe des Auslasses für die Fasern in jeden dieser öfen vorgesehen. Sie kann aber auch
einen Abstand von dem Auslaß haben, so lange der Gasstrom entgegengesetzt zu der Wanderungsrichtung
der Fasern strömt. Um dieser Bedingung zu genügen, ist die Incrtgasbcschickungsöffnung im allgemeinen in der
zweiten Hälfte jedes der beiden Öfen vorgesehen.
Die Menge des in den transversalen Ofesn eingeführten
Inertgases ist so groß, daß sie verhindert, daß ein oxydierendes Gas, wie Luft, in den transversalen Ofen
einströmt, und daß die Gase aus dem vertikalen Ofen zurückströmen, und sie kann gegebenenfalls in Abhängigkeit
von der Größe und Struktur des Ofens festgelegt werden.
Die Menge des in den vertikalen Ofen eingeführten Gases ist so groß, daß sie ermöglicht, daß die aus den
(κι Fasern entstehenden Gase aus dem offenen Schlitz im
oberen Abschnitt entweichen können und daß sie das Einströmen von Luft oder anderen Gasen durch diesen
Schlitz verhindert, und sie kann ebenfalls gegebenenfalls in Abhängigkeit beispielsweise von den erzeugten
'1S Gasen, der Größe und Form des Schlitzes und der
Größe des Ofens festgelegt werden. Im allgemeinen ist die Menge des in den vertikalen Ofen eingeführten
Incrtguscs größer als die Menge des in den transverse-
len Ofen eingeführten Inertgases und in vielen Fällen
wird mehr als die Hälfte des verwendeten Inertgases in den vertikalen Ofen eingeführt.
Bei dem Fasereinlaß in dem oberen Abschnitt des vertikalen Ofens handelt es sich um einen offenen
Schlitz, der auch den Austritt der erzeugten Gase und des Inertgases erlaubt. Die Größe und Form des
Schlitzes können variieren, beispielsweise in Abhängigkeit von der Menge der pro Durchgang behandelten
Fasern und der Menge der erzeugten Gase, sie sollte jedoch so festgelegt werden, daß das Einströmen von
Luft von außen verhindert und kein Brechen der Fasern hervorgerufen wird.
Die Verbindung zwischen dem vertikalen und dem transversalen Ofen kann irgendeine beliebige Struktur
haben, die mindestens einen Schlitz zur Verhinderung des Rückströmens des Inertgases aus dem vertikalen
Ofen in den transversalen Ofen aufweist. Diesbezüglich werden die Größen des den vertikalen Ofen und den
transversalen Ofen miteinander verbindenden Schlitzes oder der Einlaß- und Auslaßschlitze auf übliche Weise
unter Anwendung von Standardmethoden, wie sie auf dem Gebiet der Strömungslehre allgemein bekannt sind,
festgelegt; in der Regel sind die Schlitze »überdimensioniert«, um einen leichten Durchgang der maximalen
Fasergröße ohne Auftreten eines direkten Kontaktes mit den Schlitzen zu ermöglichen. Da das System in der
Regel unter einem schwachen Überdruck, d. h. bei einem Druck etwas oberhalb Atmosphärendruck,
gehalten wird, treten kaum Probleme auf, da gewährleistet ist, daß unerwünschte Gase nicht in das System
eintreten können.
Der Auslaß für den Abzug der Fasern kann irgendeine gewünschte Struktur haben, so lange er das
Einströmen von Gasen verhindert. Erfindungsgemäß ist 31s
es zweckmäßig, ihn mit einer Flüssigkeit, wie Wasser, Tetrachlorkohlenstoff öder Äthylendichlorid, abzudichten,
so daß die Dimensionierung des Auslaßschlitzes von keiner übermäßig großen Bedeutung ist.
Die Geschwindigkeit der Vorwärtsbewegung der Fasern innerhalb des vertikalen Ofens varriiert in
Abhängigkeit von der Länge und Temperatur des Ofens, sie ist jedoch zweckmäßig so groß, daß die Erzeugung
von Gasen aus den Fasern innerhalb des vertikalen Ofens praktisch vollständig erfolgt. Im allgemeinen wird
im Falle von Acrylnitrilpolymerisatfasern die Wärmebehandlung innerhalb des vertikalen Ofens so lange
durchgeführt, bis ihr Kohlenstoffgehalt als Folge der Gaserzeugung mindestens etwa 75 Gcw.-% beträgt. In
der Regel sind für die Behandlung Zeiträume von etwa so
30 Sekunden bis etwa 30 Minuten erforderlich. In entsprechender Weise variiert die Geschwindigkeit der
Vorwärtsbewegung der Fasern innerhalb des transversalen
Ofens in Abhängigkeit von der Länge und Temperatur des Ofens; die Vcrweilzcit der Fasern
innerhalb des transversalen Ofens betrügt jedoch im allgemeinen etwa 30 Sekunden bis etwa 30 Minuten.
Das erfindungsgetnäße Verfahren und die erfindungsgcmüßc
Vorrichtung können auf die Carbonisierung von Fasern angewendet werden, die das gleiche (»o
Verhalten wie voroxydierte Acrylnitrilpolymerisatfasern bei der Carbonisierung aufweisen und bei denen die
gleichen Probleme auftreten, die durch die Carbonisierung gelöst werden sollen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die (15
nachfolgend aufgezählten Vorteile erzielt, wenn voroxydicrtc Fasern bei etwa 500 bis etwa I1OOO0C in dem
vertikalen Ofen witrmcbehandclt werden, während die
Fasern von oben nach unten transportiert werden und in den unteren Abschnitt des Ofens ein Inertgas in
Aufwärtsrichtung eingeführt wird:
1.) Durch die Wärmebehandlung in dem vertikalen Ofen bei etwa 500 bis etwa 10000C werden flüchtige
Komponenten in großen Mengen erzeugt. Im Falle von Acrylnitrilpolymerisatfasern oder Cellulosefaser entsprechen
die Mengen der flüchtigen Komponenten einem Gewichtsverlust der voroxydierten Fasern von
etwa 40 bis etwa 50 Gew.-%. Es ist wesentlich, daß diese großen Mengen an flüchtigen Komponenten aus dem
System entfernt werden, ohne daß Teer an der Oberfläche der Fasern oder an der Ofenwand haftet.
Erfindungsgemäß erlaubt die Verwendung eines in Aufwärtsrichtung strömenden erhitzten !nertgasstromes
das Abführen der flüchtigen Komponenten aus dem oberen Abschnitt des Ofens, ohne daß eine Kondensation
auftritt;
2.) in der Carbonisierung muß Sauerstoff aus der umgebenden Atmosphäre ausgeschlossen werden. Erfindungsgemäß
ist der Fasereinlaßschlitz durch Verwendung eines in Aufwärtsrichtung fließenden Inertgasstromes
abgedichtet, wodurch verhindert wird, daß Luft durch den Einlaßschlitz einströmt. Außerdem können
die Fasern kontinuierlich in den Ofen eingeführt werden;
3.) der Young'sche Modul der voroxydierten Fasern steigt mit zunehmender Carbonisierung an. In der
Anfangsstufe der Carbonisierung ist der Young'sche Modul der Fasern noch niedrig, so daß die in seitlicher
Richtung sich vorwärts bewegenden Fasern sich auflockern. Da der Kontakt der Fasern mit der
Ofenwand als Folge der Auflockerung zu verschiedenen Verfahrensproblemen, wie z. B. zu einem Faserbruch
oder zum Auftreten einer Zerfaserung führen kann, sind spezielle Maßnahmen, wie z. B. die Vergrößerung der
Breite des Ofens in einem großen Ausmaße, erforderlich. Wenn ein vertikaler Ofen verwendet wird, können
Fasern mit einem niedrigen Young'schen Modul sehr glatt vorwärtsbewegt werden;
4.) das Inertgas wird in den Boden des vertikalen Ofens (d. h. durch eine öffnung oder ölinungen in der
Nähe des Faserauslasses) eingeführt und die Fasern werden im Gegenstrom zu dem Inertgasstrom durch
den vertikalen Ofen transportiert. Da in dem oberen Abschnitt des vertikalen Ofens flüchtige Komponenten
in großen Mengen erzeugt werden, ist es mit diesem Verfahren möglich, die flüchtigen Komponenten glatt
aus dem Ofen abzuführen.
Der transversale Ofen für die Behandlung der Fasern
bei etwa 800 bis etwa 2000° C steht mit dem vertikalen
Ofen in Verbindung und durch eine öffnung oder durch
öffnungen in der Nähe des Fascrauslasscs des
transversalen Ofens wird ein Inertgas eingeführt. Dies
bringt die folgenden Vorteile mit sich:
1.) Durch die direkte Verbindung zwischen den·
vertikalen Ofen und dein transversalen Ofen wire
vcrhintcrt, daß Luft durch den jeweiligen Auslaß unc
den jeweiligen Einlaß derselben einströmt;
2.) es tritt kaum eine Erzeugung von flUchtigci
Komponenten in dem transversalen Ofen auf. In diesen
Ofen müssen die Fasern auf etwa 800 bis etwa 20000C
erhitzt werden, wobei das Einströmen von Saucrstof verhindert wird. Da in dem transversalen Ofen kein siel
in Aufwttrtsrichtung bewegender Inertgasstrom vor kommt, kann die Temperatur leicht bei dem gcwUnsch
ten hohen Wert gehalten werden;
3.) da die Kohlcfascrn, die den vertikalen Ofci
verlassen haben, einen etwas höheren Young'schen Modul aufweisen, biegen sie sich auch dann nicht durch,
wenn sie in longitudinaler Richtung durch den transversalen Ofen weitertransportiert werden;
4.) da die beiden öfen nicht vertikal oder transversal
aneinander liegen, sondern L-förmig zueinander angeordnet sind, ist der Abstand der öfen in Längsrichtung
voneinander kurz und der zur Verfügung stehende Raum wird wirksam ausgenutzt;
5.) wie aus der beiliegenden Zeichnung hervorgeht, wird das Inertgas durch mindestens eine Öffnung in der
Nähe des Faserauslasses des transversalen Ofens eingeführt; es strömt zu dem Faserauslaß des transversalen
Ofens und wird durch den Faserauslaß und den Fasereinlaß des vertikalen Ofens aus dem System
abgelassen. Der Inertgasstrom fließt im Gegenstrom zu der Bewegungsrichtung der Fasern. Da das Inertgas
glatt in einer Richtung strömt, wird das Brechen der Fasern und das nachfolgende Auftreten von Zerfaserungen
in den Fasersträngen durch eine turbulente Strömung des Inertgases verhindert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann leicht und zuverlässig durchgeführt werden. Durch kontinuierliche
Carbonisierung von voroxydierten Fasern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können unter Verwendung
der vorstehend beschriebenen Vorrichtung qualitativ hochwertige Kohlenstoffasem hergestellt werden,
ohne daß Teer daran haftet.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
Stränge aus Acrylnitrilpolymerisatfäden (1,5 Denier χ 6000 Fäden) aus einem Mischpolymerisat aus
98 Gew.-% Acrylnitril und 2 Gew.-% Methylacrylat (Polymerisationsgrad etwa 1450) wurden zur Herstellung
von voroxydierten Fäden 3 Stunden lang an der Luft auf 2500C erhitzt. 20 Stränge der voroxydierten
Fäden wurden in einer Reihe angeordnet und unter Verwendung der in der Zeichnung dargestellten
Vorrichtung carbonisiert sowohl der vertikale Ofen als auch der transversale Ofen waren 30 cm breit, 10 cm
tief. Die öfen hatten eine Länge, wie sie nachfolgend im Zusammenhang mit weiteren Details bezüglich dieser
öfen angegeben ist.
Der Tieftemperaturofen (der vertikale Ofen) hatte eine Länge von 2 m, und sein Einlaßschlitz war im
wesentlichen an dem oberen Ende des vertikalen Ofens
angeordnet und hatte eine Höhe in vertikaler Richtung von 50 cm und eine öffnung von 20 cm χ I cm an seinem
obersten Abschnitt für die Aufnahme der voroxydierten
Fnscrstrikngc. Die Temperatur des Schlitzes wurde
mittels eines elektrischen Banderhitzers bei 26O0C
gehallen. Bei Raumtemperatur wurde Stickstoff mit einer Geschwindigkeit vom 20 l/Min, durch eine
Öffnung eingeführt, die 10 cm von dem Fuseratislaßschlitz
des Tieftcmperatunifens entfernt angeordnet
war. Die Temperatur dos Innern des Ofens wurde bei 850" C gehalten.
Der Hochtempcraturofen (transversale Ofen) hatte
eine Hinge von 1,8 m und sein l-'ascraiislaU war mit
Wasser abgedichtet, wie in der Zeichnung dargestellt. Hei Raumtemperatur wurde Stickstoff mit einer
Geschwindigkeit von 10 l/Min, durch eine Öffnung
eingeführt, die IOcm von dem FaserauslaUschlitz des
Hochternpcruturofcns entfernt angeordnet war. Die Temperatur des Innern des Ofens wurde bei 1400"C
gehalten.
In dom Bereich zwischen dem vertikalen Ofen und
dem transversalen Ofen waren Walzen 8 angeordnet, die eine Änderung der Wanderungsrichtung der Fasern
aus der vertikalen Richtung in die horizontale Richtung erlaubten. Auch in der Flüssigkeitsabdichtungseinrichtung
6 waren Walzen 9 angeordnet, welche das Austreten der Fasern aus dem transversalen Ofen durch
die Flüssigkeit hindurch und dann aus der Vorrichtung heraus erlaubten. Außerdem war eine Walze 11 als
Aufnahmewalze für die Aufnahme der Fasern aus der
ίο Vorrichtung vorgesehen.
Wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, sind in der Zeichnung zwar Walzen dargestellt, es können
aber auch andere gleichwertige Einrichtungen vorgesehen werden, welche den Transport der Fasern fördern.
In dem vorliegenden Beispiel bestand der Schlitz 3 im wesentlichen aus zwei Blockierungswänden an dem
Ende des vertikalen Ofens und an dem Eintrittsende des transversalen Ofens mit einem Schlitz dazwischen mit
einer Länge von 10 cm in Richtung des Faserstrangstromes, einer Länge von 20 cm in Richtung quer zur
Richtung des Faserstrangstromes und einer Höhe von 3 cm in Richtung senkrecht zur Richtung des Faserstrangstromes.
In diesem speziellen Beispiel wurde der Schiit? 3 durch ein elektrisches Heizband erhitzt.
Die durch kontinuierliche Carbonisierung der 20 Stränge aus den voroxydierten Fäden mit einer
Geschwindigkeit von 25 m/Std. erhaltenen Kohlenstofffasern hatten einen Einfadendurchmesser von 9,3 Mikron,
ein spezifisches Gewicht von 1,7, eine Zugfestigkeit von 230 kg/mm2 und einen Elastizitätsmodul von
23 t/mri2, und die Zerfaserung der Fäden war
vermindert. Der Carbonisierungsgrad in dem vertikalen Ofen betrug in diesem Beispiel 87,5 Gew.-%. Nach dem
Durchgang durch den transversalen Ofen (Endprodukt)
betrug der Carbonisierungsgrad 95,2 Gew.-%.
Acrylnitrilpolymerisatfasern (0,8 Denier χ 12 000 Fäden) aus einem Mischpolymerisat aus 97 Gew.-%
Acrylnitril, 2 Gew.-% Methylacrylat und 1 Gew.-% Natriummcthallylsulfonat (Polymerisationsgrad 1600)
wurden zur Herstellung von Strängen aus voroxydierten Fäden 2,5 Stunden lang an der Luft auf 265°C
erhitzt.
30 Stränge der voroxydierten Acrylnitrilpolymerisatfasern wurden in einer Reihe angeordnet und unter
Verwendung der in Beispiel 1 eingesetzten Vorrichtung kontinuierlich verkohlt.
Die Temperatur des Auslaßschlitzcs aus cleir
vertikalen Ofen wurde bei 2800C gehalten. Be Raumtemperatur wurde Stickstoff mit einer Geschwindigkeit
von 18 l/Min, in den Ticftcmperatur-Ofcn tint
mit einer Geschwindigkeit von 12 l/Min, in der
Ilochtemperatur-Ofen eingeführt. Die Temperatur in
ys Innern der Öfen wurde bei 8000C bzw. 1300"C gehalten
In diesem Beispiel betrug der Carbonisienmgsgnu
nach Durchgang durch den vertikalen Ofen 85 Gew.-"/(
und nach Durchgang durch den transversalen Ofei 94 Gew.-»/o.
(«ι Die Kohlenstoffasem, die durch kontinuierlich«
Carbonisierung der 30 Strilnge aus voroxydierten Fildci
mit einer Geschwindigkeit von 28 m/Std. hergestell worden waren, halten einen Einfaclcndurchmesscr voi
7,1 Mikron, ein spezifisches Gewicht von 1,73, ein« Zugfestigkeit von 260 kg/mm' und einen Elusti/.iUllsnu»
dtil von 22 t/mm2 und wiesen somit überlegen'
Eigenschaften iiuf.
Die Kollisysteme nach den Fig. 2 bis 4 sind dtibe
Die Kollisysteme nach den Fig. 2 bis 4 sind dtibe
besonders für thermisch hochbeanspruchte Heißwindschieber-Gehäuse ausgelegt, auf die beispielsweise
Temperaturen um 15000C und höher einwirken.
Demgegenüber eignen sich die Kühlsysteme nach den Fig.5 und 6 dort zum Einsatz, wo niedrigere
Heißwind-Temperaturen, z. B. um 6500C, auftreten.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffasern
durch Carbonisieren voroxydierter Fasern aus organischen Polymerisaten in Gegenwart eines ü
Inertgases, dadurch gekennzeichnet, daß
man das Inertgas in einen bei einer Temperatur von etwa üiOO bis etwa 10000C gehaltenen vertikalen
Ofen und in einen damit verbundenen, bei einer Temperatur von etwa 800 bis etwa 20000C
gehaltenen transversalen Ofen so einführt, daß das Inertgas aus dem transversalen Ofen in den unieren
Abschnitt und dann in den oberen Abschnitt des vertikalen Ofens strömt, und daß man die voroxydierten
Fasern in den oberen Abschnitt des vertikalen Ofens so einführt, daß die Fasern im
Gegenstrom zu dem Inertgassirom durch beide öfen wandern.
2. Verfahren nach Anspruch l„ dadurch gekennzeichnet,
daß man voroxydierte Fasern aus einem homopolymerisat von Acrylnitril oder einem
Mischpolymerisat aus mindestens etwa 90 Gew.-% Acrylnitril und einem damit mischpolymerisierbaren
Vinylmonomeren verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man voroxydierte Acrylnitrilpolymerisatfasern
voroxidiert, die in einer oxydierenden Atmosphäre bei etwa 200 bis etwa 3000C so lange
wärmebehandelt worden sind, bis ihr Sauerstoffgehalt etwa 5 bis etwa 15 Gew.-% betrug. jo
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
voroxydierten Fasern in dem vertikalen Ofen so lange verkohlt werden, bis ihr Kohlenstoffgehalt
mindestens 75 Gew.-% beträgt.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas
Stickstoff oder Argon verwendet wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Einführen der voroxydierten Fasern und das Abführen des in die öfen eingeführten Inertgases
durch den gleichen Schlitz, dessen Temperatur bei etwa 200 bis 4000C gehalten wird, durchgeführt
werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 zum
kontinuierlichen Carbonisieren von voroxydierten Fasern aus organischen Polymerisaten, gekennzeichnet
durch einen vertikalen auf eine Temperatur von etwa 500 bis etwa 10000C erhitzbaren Ofen (1),
einen transversalen auf eine Temperatur von etwa 800 bis etwa 2000"C erhitzbaren Ofen (2), der mit
dem Boden des vertikalen Ofens (1) durch mindestens einen Schlitz (3) in Verbindung steht,
einen Schlitz (5), der an dem oberen Ende des vertikalen Ofens (1) angeordnet ist, für die
Einführung der voroxydierten Fasern (7) und für das Abführen der während der Carbonisierung aus den
Fasern erzeugten Gase und eines in die öfen (1, 2)
eingeführten Inertgases, einen Faserauslaß (10), der an dem freien Ende des transversslen Ofens (2)
angeordnet ist, um das Einströmen von Gas zu verhindern, und eine Inertgas-Einlaßöffnung (4, 4'),
die in der stromabwärts gelegenen Hälfte jedes der beiden öfen (1, 2) in Richtung der Faservorwärtsbewegung
angeordnet ist, so daß der Inertgasstrom innerhalb der öfen in einer Richtung entgegengesetzt
zur Wanderungsrichtung dtr Fasern gelenkt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der an dem oberen Ende des vertikalen
Ofens (1) angeordnete Schlitz (5) mit einer Heizvorrichtung versehen ist, mit der er bei einer
Temperatur von etwa 200 bis etwa 400°C gehalten werden kann.
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